金属增材制造在航天、航海、国防等领域有着广泛的应用,其加工过程的数值模拟算法涉及到复杂的多尺度、多物理耦合求解,是计算力学领域中的热点和难点问题。以激光选区熔化技术为例,描述部件和熔池流体所需的空间离散尺度通常横跨三个量级以上,计算资源需求巨大,使得高保真模拟算法难以完成大规模问题的求解。
  近期,廉艳平教授课题组(方岱宁院士团队)针对金属增材制造过程中的“热-流”耦合问题,提出了一种新的高效、高保真数值模拟算法:局部多网格有限体积法(local multi-mesh finite volume method)。该算法基于叠加细化的思想,采用一套移动精细网格跟踪热源,并对熔池内的流动、传热、相变过程进行精细求解,同时采用一套基网格对远离熔池的大尺寸区域进行温度场求解,在两套网格之间建立了高效的温度Dirichlet耦合方法。同时,建立了两套网格中离散元方法与有限体积法的体积分数转化技术,以及高稳定性的热源施加方案。算法通过一系列算例测试,包括激光扫描基板、激光单层、多层铺粉熔覆问题等,与解析解、实验结果符合良好,证明算法具有高精度;计算效率测试结果表明,相比于均匀网格的有限体积法,算法能够在保证精度的前提下,将计算效率提高16~50倍。该算法有利于实现金属增材制造问题的大规模、高效、高保真分析,以及相应的物理机理揭示和工艺参数优化研究。
  相关成果以“An efficient and high-fidelity local multi-mesh finite volume method for heat transfer and fluid flow problems in metal additive manufacturing”为题,发表在计算力学顶级期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》( 2023, 404: 115828. DOI: 10.1016/j.cma.2022.115828) 上。

金属增材制造过程的高效高保真局部多网格有限体积法-